《岩土钻掘工程学》室内实验指导书课件.docx

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《岩土钻掘工程学》室内实验指导书课件

《岩土钻掘工程学》

室内实验指导书

郑贵强

华北科技学院安全工程学院

2012年6月

目录

实习一   钻探设备的了解

（一）…………………………………1

实习二   钻探设备的了解

（二）…………………………………4

实习三    常用机具的了解…………………………………………….6

实习一   钻探设备的了解

（一）

一、目的要求

1．观察钻探设备的基本结构；

2．了解钻探设备的工作原理；

3.了解钻探设备的操作方法；

4.了解钻探设备的注意事项。

二、实习内容

钻探设备：

钻孔施工所使用的地面设备总称。

1.XY-4型钻机

（1）基本介绍：

钻机又称钻探机，是在地质勘探中，带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备，主要作用是带动钻具破碎孔底岩石，下入或提出在孔内的钻具。

立轴式钻机是地质钻探中常用的一种回转式钻机，这种钻机的回转机构有一段较长的立轴（1米左右），用其带动钻具回转、实现给进并导正钻具，故名立轴式钻机。

XY-4型钻机属立轴式钻机，钻进深度1000米。

XY-4型钻机主要适用于进行固体矿产勘探、工程地质勘查、也可用作浅层石油、天然气、地下水钻探和堤坝灌浆、坑道通风、排水孔的钻进。

（2）基本结构：

XY-4型钻机主要由两部分组成，分别是机械传动系统和液压传动系统。

ⅰ、机械传动系统包括：

摩擦离合器、变速箱、万向轴、分动箱、回转器、升降机等

摩擦离合器：

摩擦离合器，由主动件、从动件、压紧分离机构、操纵机构及调隙机构组成。

摩擦离合器的功能有三个：

第一，接通和切断钻机的动力；第二，在钻机变速和分动操作中、或在完成套岩心与扭断岩心等特殊操作时，利用离合器进行微动操作；第三，当钻机超载时，利用摩擦片打滑起过载保护作用。

变速箱：

变速箱，由工作机构和换挡机构（变速机构）组成。

工作机构包括四根轴和五对齿轮。

变速箱的功能是变更回转器和升降机的转速和扭矩。

万向轴：

变速箱输出轴与分动箱之间采用万向轴连接。

万向轴的作用是降低变速箱和分动箱装配时对中的精确度方便拆卸变速箱。

分动箱：

分动箱功能是将变速箱传来的动力分配给回转器和升降机，并使他们同时或分别回转。

回转器：

回转器主要由箱壳、横轴、锥齿轮副、立轴导管、立轴及卡盘等主要零件组成。

回转器的功能是传递动力，使钻具以不同转速和扭矩作正转或反转，并导正钻具方向。

升降机：

升降机的主要组成部分包括传动机构、卷筒和制动器。

主要功能是升降钻具、套管和悬挂钻具、在处理事故时进行强力起拔等。

ⅱ、液压传动系统包括：

动力元件、控制元件、辅助元件

①动力元件：

XY-4型钻机采用CB-33/80型定量齿轮泵，作用是将原动机输出的机械能转化成液压能，向液压系统提供压力油，驱动液动机。

②控制元件：

控制元件由压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀组成。

控制元件的作用是控制液压系统的压力、流量和液流方向，以保证执行元件得到所要求的力、速度和液流方向。

③辅助元件：

辅助元件将液压能转化为机械能，驱动工作机构完成所要求的各种动作。

（3）工作原理：

作业时，动力机通过传动装置驱动转盘，由主动钻杆带动钻头旋转破碎岩层。

有正、反两种循环方式。

正循环钻机工作时，井底岩屑通过钻杆的外形通道被带出井口，在沉淀池沉淀后，泥浆流回泥浆池供循环使用。

反循环钻机工作时，泥浆在沉淀池沉淀后从井口自行流入井底，携带岩屑的泥浆则由砂石泵经钻头水口通过钻杆内腔向上抽吸出井、回沉到沉淀池。

（4）注意事项：

随时注意检查气水管路，各部分螺栓，螺帽接头的连接情况是否牢固可靠。

随时注意检查风马达的润滑情况。

工作面积水时，开孔要用大直径钎头，然后插入钻杆，并使钻杆露出地面100-200mm，以防止击岩渣泥浆掉入孔内。

钻凿时不允许反转以免钻杆掉入孔中。

机器在短时间内停止工作时，要给予少量的压气，以避免泥沙侵入冲击器的内部，若在较长时间停止工作时，需将冲击器提到距孔底1—2米处再进行固定。

工作时应注意冲击器的声音和减速箱运转情况是否正常，发现不正常的现象应立即停机检查。

加接新钻杆时，要特别注意孔内清洁，以避免沙土混入冲击器内部，损坏机件或发生停钻事故。

机器的保养和润滑：

   每个工作班结束时，都必顺把机器表面污物清除干净。

严禁在工作表面大拆大卸（拆成组件便于搬运的情况例外），以免丢失零件和损坏零件的关键部位。

钻杆接头用黄油润滑。

减速器用黄油做润滑。

三．作业及思考题

1．XY-4型立轴式钻机的优缺点分别是什么？

2．XY-4型立轴式钻机能在那些方面做些改进怎么实现？

3．怎样选择立轴式钻机驱动设备？

实习二  钻探设备的了解

（二）

一、目的要求

1．观察钻探设备的基本结构；

2．了解钻探设备的工作原理；

3.了解钻探设备的操作方法；

4.了解钻探设备的注意事项。

二、实习内容

钻探设备：

钻孔施工所使用的地面设备总称。

1.BWB-250型泥浆泵

（1）基本介绍：

泥浆泵，专门排送泥浆的排水机械。

往复泵是指，依靠活塞、柱塞或隔膜在泵缸内往复运动使缸内工作容积交替增大和缩小来输送液体或使之增压的容积式泵。

BWB-250型泥浆泵属于往复泵，是卧式三缸单作用活塞泵，在钻探工作中用于洗孔。

该泵用改变活塞往复次数和更换缸套的方法改变泵量，泵量的变化范围为35L/min至250L/min，共8级，适用于孔深1000~1500米的各种岩心钻探。

（2）基本结构：

BWB-250型往复式泥浆泵的主体结构由动力端和液力端组成。

①、动力端：

动力端由连杆、变速手柄、十字头、滑套、活塞杆、曲拐轴、联轴器、输入轴、中间轴、曲轴箱体、输出轴、操纵手柄、偏心轮轴、顶杆、减速齿轮组成。

②、液力端：

液力端由活塞杆、泵头体、隔水密封圈、缸套、活塞、阀盖、排出阀、顶套、缸头盖、吸入阀组成。

（3）工作原理：

活塞自左向右移动时，泵缸内形成负压，则贮槽内液体经吸入阀进入泵缸内。

当活塞自右向左移动时，缸内液体受挤压，压力]增大，由排出阀排出。

活塞往复一次，各吸入和排出一次液体，称为一个工作循环；这种泵称为单动泵。

若活塞往返一次，各吸入和排出两次液体，称为双动泵。

活塞由一端移至另一端，称为一个冲程。

（4）注意事项：

启动时不需灌入液体，因为往复泵有自吸能力，但其能够吸上的真空高度亦随泵安装地区的大气压力、液体的性质和温度而变化，故往复泵的安装高度也有一定限制。

往复泵的流量不能用排出管路上的阀门来调节，而应采用旁路管或改变活塞的往复次数、改变活塞的冲程来实现。

往复泵启动前必须将排出管路中的阀门打开。

往复泵适用于高压头、小流量、高粘度液体的输送，但不宜于输送腐蚀性液体。

有时由蒸汽机直接带动，输送易燃、易爆的液体。

三．作业及思考题

1.怎样确定钻探用泵基本性能参数？

2．泥浆泵的优缺点？

实习三    常用机具的了解

一、目的要求

1．观察常用机具的基本结构；

2．了解常用机具的工作原理；

3.了解常用机具的操作方法；

4.了解常用机具的注意事项。

二、实习内容

1.普通单管钻具

（1）基本介绍：

钻具:

钻探施工时用在钻孔内的整根钻探管材柱及其接头的总称（不包括护孔用套管）。

钻具由主动钻杆、钻杆、岩心管以及底端的扩孔器和钻头组成，必要时还在岩心管上部加接沉淀管或钻铤。

钻具的功用主要是在钻探岩层过程中给钻头传递钻头压力和回转扭矩，并向孔底输送钻孔冲洗液，收取岩矿心。

普通单层岩心管钻具简称普通单管钻具，它是最简单的取心钻具。

（2）基本结构：

普通单管钻具由导向管、分水投球接头、取球孔螺塞、小卡螺塞、小卡及弹簧、带阀座的活塞、弹簧、弹簧座、活动分水帽、通水孔组成。

（3）工作原理：

正常钻进时，冲洗液通过分水接头的中心孔直接进入岩心管内，边缘开有若干水口的活动水帽呈伞形保护岩心不受冲洗液直接冲刷，且分水帽随岩心一起上移。

提钻前由钻杆柱内投入球阀落于球座活塞上，将中心水道封闭，在水压作用下球阀活塞向下移动，当超过管壁小卡的位置时，下卡在弹簧作用下伸出将活塞挡住，这时通水孔被打开，冲洗液由此孔排出，使孔底形成干钻条件。

2.普通双管钻具：

双管岩心管钻具是提高岩矿心采取率和采样质量的重要工具，在复杂地层和金刚石钻进中，应用较为普遍。

双管钻具分为双动双管钻具和单动双管钻进两种。

ⅰ、双动双管钻具

（1）基本介绍：

双动双管钻具是内外两层岩心管同时回转的钻具。

（2）基本结构：

双动双管主要由回水孔、双管接头、球阀、外管、内管、送水孔等组成。

（3）工作原理：

钻进时，内外管带动内外钻头同时回转并破碎岩石，冲洗液经双管接头进入内外管间的环形间隙，冲洗孔底后再沿外管与孔壁的间隙返至地面，避免了对岩矿心直接冲刷。

内管中的冲洗液，随岩矿心的进入冲开止逆阀，经回水孔排至外环间隙，同时球阀隔离了钻杆内冲洗液液柱的压力对岩矿心的相互挤压和磨损的影响。

ⅱ、单动双管钻具

（1）基本介绍：

钻进过程中，外管转动而内管不动的双管钻具单动双管钻具。

它比双动双管具有优越性，主要表现为钻进中不仅避免了冲洗液直接冲洗岩矿心，更重要的是避免了振动、摆动和摩擦力对岩矿心的破坏作用。

另外有些单动双管还设有防震、防污、防脱及退心的装置。

因此，岩矿心的采取率、完整度、纯洁性等均有较大提高，代表性好。

（2）基本结构：

单动双管由上接头、耐磨稳定环、外管接头、单动部分、心轴、锁紧螺母、内管接头、外管、内管、扩孔器、短节、卡簧、卡簧座组成。

（3）工作原理：

外管接头连着外管和轴承外壳，内管连同其下部的卡簧提断器通过内管接头连接在轴承的心轴上。

钻进时，钻头和外管随钻杆一起回转。

当内管内有岩心时，在摩擦力作用下内管及其卡簧不回转。

冲洗液由上接头进入，通过外管接头上的斜孔进入内外管的环状间隙冲洗孔底，由外管与孔壁间隙上返，内管中的冲洗液，随岩矿心的进入，经内管接头上的排水孔也流入内外管间隙。

回次终了，上提钻具，卡簧提断器卡断岩心。

（4）注意事项：

拧卸钻具各部件时．要使用多点接触的自由钳．不许用管钳．垫扣要涂油。

禁止用铁锤敲击，不得猛蹴。

检查水路畅通．水眼无异物堵塞。

检查单动性能是否良好，卡簧座到钻头内台阶距离是否合适，岩芯管有无弯曲挤扁，丝扣是否松动。

检查钻头与扩孔器外径差，钻头内径与卡簧内径差是否合理．也可将卡簧往岩样上套，以不松不紧有一定阻力为宜。

运输时禁止摔、撞、挤、压，要放平整。

存放不要雨淋，要涂油保护。

3.绳索取心钻具

（1）基本介绍：

绳索取心钻具是一种不提钻取心的钻进装置，即在钻进过程中，当内岩心管装满岩心或岩心堵塞时，不需要把孔内全部钻杆柱提升到地表，而是借用专业的打捞工具盒钢丝绳把内岩心管从钻杆柱内捞取上来，只有当钻头被磨损需要检查或更换时，才提升全部钻杆柱。

绳索取心钻具的应用范围较广，它不受钻孔深度的影响，从几十米的浅孔直至超万米的超深孔均可使用，而且钻孔越深其优越性能越显著;可以增进任意方向的钻孔和钻进各种地层，在Ⅵ~Ⅸ级中等硬度岩层中效果尤为显著；针对不同的地层，该钻具即可用清水，又可用优质泥浆，还可采用泡沫等作为冲洗介质。

（2）基本结构：

绳索取心钻具由单动双层岩心管和打捞器两大部分组成

①单动双层岩心管：

单动双层岩心管由内管总成和外管总成组成。

外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、稳定接头、外管。

内管总成由捞矛、弹卡定位、悬挂、到位报讯、岩心堵塞报警、单动、内管保护和调节机构组成。

②打捞器：

打捞器由打捞和安全脱卡机构两部分组成。

（3）工作原理：

①捞矛机构：

捞矛机构由捞矛头和回收管组成，取心时打捞器在钻杆内下放到内管总成上端，打捞钩抓住捞矛，向上提成打捞器使回收管上移，并向内压缩弹卡使其收拢，于是内管总成和外管总成脱离，从而把内管总成提上来。

②弹卡定位机构：

弹卡定位机构由弹卡、张簧和弹卡座等零件组成。

当内管总成在钻杆柱内下放时，张簧使弹卡向外张开一定角度，并沿钻杆柱内壁向下滑动，一旦内管到达外管中的弹卡室部位，弹卡在张簧的作用下继续向外张开，使其两翼贴附在弹卡室的内壁上。

由于弹卡室内径较大，而其上端的弹卡挡头内径较小，并具有两个伸出的拔叉，所以在钻进过程中，既可以防止内管向上串动，又可带动内管总成轴承上部与外管一起旋转，以免因相对运动造成弹卡磨损。

③悬挂机构：

由内管总成中悬挂环和外管总成中的座环组成。

悬挂环的外径稍大于座环的内径。

当内管总成下降到外管总成的弹卡室位置时，悬挂环座落在座环上，使内管总成下端的卡簧座与钻头内台阶保持2~4mm的间隙，以保证内管的单动性。

④到位报信机构：

由复位簧、阀体、定位簧、弹簧、调节螺堵和阀堵零件组成。

当内管总成在钻杆柱由冲洗液向下压送时，阀堵处于关闭状态，冲洗液由内管总成和钻杆柱的环状间隙通过；当内管总成的悬挂环座落在外管中的座环上，把冲洗液通道堵塞，泵压表的压力明显升高，表明内管总成已达到预定位置。

此时阀堵打开，泵压恢复正常，可以正常钻进。

⑤岩心堵塞报警机构：

由套管、轴、碟簧等零件组成。

钻进过程中，当发生岩心堵塞或岩心装满内管时，岩心对内管产生的顶推力压缩碟簧，使滑套向上移动到悬挂接头的台阶处将通水孔堵塞，从而造成泵压升高，告诫操作者要停止钻进，捞取岩心。

⑥单动机构：

由两幅推力轴承组成，使内管在钻进时不随外管转动。

⑦内管保护机构：

由弹簧、螺母和弹簧销等零件组成。

拉断岩心时，压缩弹簧、内管及卡簧座下移至钻头内台阶上，从而拉断岩心的力由钻头传至外管，以保证内管不受损伤。

⑧调节机构：

由调节螺母和接头等组成。

内外管组装时，如果卡簧座与钻头内台阶之间的间隙不合适，可以通过调节接头进行调节，满足要求后，用调节螺母锁紧。

⑨打捞机构：

由打捞钩、打捞构架、重锤和钢丝绳接头组成。

取心时，钢丝绳悬吊打捞器放入钻杆柱内，打捞靠重锤快速下降，由于打捞架为圆筒状，故导向性好，当它到达内管总成上端时，能准确钩住捞矛头，把内管总成提上来。

⑩安全脱卡机构：

它是一根长1m，内径比重锤稍大的套管。

在管壁上开有一斜口，当需要安全脱卡时，将此套管从斜口处套入钢丝绳上，靠套管自重下降，在打捞器被卡的部位穿过钢丝绳接头和重锤，撞击和罩住打捞钩尾部，迫使其尾部向内部收缩，端部张开，从而使打捞器与内管总成脱离。

4.正作用型液动冲击器（型号ZS-75型）：

（1）基本介绍：

ZS-75型液动冲击器为阻流阀式正作用小排量液动冲击器，适用在中深孔（1000米内）使用清水或泥浆进行合金冲击回转钻进或金刚石回转冲击钻进，在现有常规钻探设备配套的前提下使用冲击器即可实现冲击回转钻进或回转冲击钻进，可较大幅度的提高坚硬、破碎、弱摩擦性岩层钻进效果，同时并能增长回次进尺，减轻岩心堵塞及孔斜，提高岩心采取率和降低钻探成本，钻进破碎岩效果最为显著。

（2）基本结构：

ZS-75型液动冲击器结构较为简单，共用22个零件组成，主要有上接头及阻流装置，活阀机构、中接头及密封装置、冲捶活塞机构、联动机构及下接头等五大部分组成。

（3）工作原理：

当钻具连同联动接头未接触孔底时，联动接头悬吊在六方套上，活塞杆与活阀不接触，冲洗液经上接头、阻流环的旁侧孔进入阀壳内，压迫活阀离开上死点，阀肩让开水路液流进入活塞杆内腔后经外壳与冲锤间隙流入联动接头内通孔，再经过钻头水口返回到孔壁环状间隙返回地面，此时冲器不工作。

当钻具下降至孔底时，冲捶活塞相对上行与活阀底面接触，关闭水路产生水击，阀区压强瞬时剧增，推动活阀继续下行至阀座上端面而停止，冲锤活塞依本身运动惯性继续下行，与活阀脱离，打开水路，阀区压力下降，活阀在阀簧的作用下复位至上死点，处于阻流状态；与此同时，冲锤活塞在锤簧反弹力下复位，活塞杆顶端面又与活阀下端接触关闭水路，阀区压力剧增，形成水击，产生第二次冲击，如此周而复始的连续工作。

（4）操作方法：

首先组装，然后调试，调试分为冲程调试、阀程调试、自由行程的调试、锤簧预压的调试等。

5.钻头

（1）基本介绍：

钻头是用以在实体材料上钻削出通孔或盲孔，并能对已有的孔扩孔的的刀具。

（2）基本结构：

一种钻头，包括一个刀杆

（1），刀杆有一个尖端，尖端有两个位于一个主平面（C－C）上的切削刀片（5、5′），所述切削刀片（5、5′）具有在共同第二平面（E－E）上取向的短的中心切削刀刃。

所述刀刃形成一个点状中心切削刀刃用于进入工件，并且由此将钻头对中。

在刀杆上，设两个排屑槽（6、6′），所述排屑槽（6、6′）从尖端延伸到底端。

在沿刀杆的任一截面上，排屑槽在管平面上都位于彼此径向相对的位置，管平面与在管的两侧的两个刃带的共同刃带平面（F－F）成90°延伸，所述刀杆在该平面具有最大的刚性。

中心切削刀刃的第二平面（E－E）的取向与刃带平面或刀杆的底端的主刚性方向（F－F）大约成90°角。

（3）工作原理：

挖坑作业时，钻头随立轴旋转，同时作轴向移动。

土壤在钻头的扭矩和轴向力作用下被切削，在工作叶片的挤压和离心力作用下被松碎，形成土流压向坑壁，同时沿页面升运到地表。

当土流运动到无坑壁阻挡处时，由于离心力作用碎土被抛到坑的周围，完成挖坑过程。

（4）注意事项：

在钻削钢件时，请保证充分的冷却量并使用金属切屑液。

良好的钻杆钢性与导轨间隙能提高钻孔的精度及钻头的寿命。

确保磁座与工件之间的平整与清洁。

钻薄板时，要将工件加固，钻大型工件时，保证工件的稳固。

在钻孔开始与结束时，进给量应降低1/3。

对钻削时出现大量细小粉未的材料，如铸铁、铸铜等，可以不使用冷却液，而采用压缩空气帮助排屑。

及时清除缠绕在钻体上的铁屑，以保证排屑顺畅。

三、作业及思考题

1．普通单管钻进的优缺点？

2．普通双管钻进的优缺点？

3．普通单管钻进的使用条件？

4．普通双管钻进的使用条件？

5.绳索取心钻具的优缺点？

6.钻头的分类及各自的适用条件？

7.ZS-75型液动冲击器可能出现的事故及事故处理方法？